基于单片机的热敏电阻测温系统设计

第1章绪论1.1热敏电阻热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器〔PTC〕和负温度系数热敏电阻器〔NTC〕。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。热敏电阻是开发早、种类多、开展较成熟的敏感元器件。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。1.2工作原理负温度系数热敏电阻主要材料有氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型很多，使用区分低温〔-60～300℃〕、中温〔300～600℃〕、高温〔>600℃〕三种。1.3热敏电阻的特点1.灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；2.工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃〔目前最高可到达2000℃〕，低温器件适用于-273℃～55℃；3.体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；4.使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；5.易加工成复杂的形状，可大批量生产；6.稳定性好、过载能力强。第2章单片机介绍2.1单片机单片机〔Singlechipmicrocomputer〕微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器〔MicrocontrollerUnit〕，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能〔可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路〕集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。2.2STC单片机STC单片机的供给商是以51内核为主的系列单片机，STC单片机是宏晶生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机的供给商，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8—12倍，内部集成MAX810专用复位电路。4路PWM8路高速10位A、D转换，针对电机控制，强干扰场合。2.2.1STC单片机特点1.I/O口经过特殊处理2.轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰(EFT测试〕3.宽电压，不怕电源抖动4.宽温度范围,-40℃～85℃5.高抗静电〔ESD保护〕6.单片机内部的时钟电路经过特殊处理7.单片机内部的电源供电系统经过特殊处理8.单片机内部的看门狗电路经过特殊处理9.单片机内部的复位电路经过特殊处理第3章硬件设计3.1总设计框图温度测量模块主要为温度测量电桥。首先通过热敏电阻进行温度采集,然后利用模数转换器进行模数转换，再经过单片机进行处理，最后通过LED数码管显示温度。图3-1系统总设计框图3.2温度测量基于热敏电阻设计的电路原理图如图3-2所示，其工作原理为：〔1〕将P1.0设为低电平，P1.1、P1.2为低电平，Q1导通，J1、J2截止，使C4放电至完全,P3.2为高电平〔2〕将P1.0设为高电平、P1.1为高电平，P1.2为低电平，Q1截止，J1导通，J2截止，通过R4电阻对C4充电，单片机内部计时器清零并开始计时，检测P3.2口状态，当P3.2口检测为低电平时，即C4上的电压充至完全，单片机计时器记录下从开始充电到P3.2口转变为低电平的时间TSC〔3〕将P1.0设为低电平，P1.1、P1.2为低电平，Q1导通，J1、J2截止，使C4放电至完全,P3.2为高电平〔4〕将P1.0设为高电平、P1.1为低电平，P1.2为高电平，Q1截止，J2导通，J1截止，通过RT电阻对C4充电，单片机内部计时器清零并开始计时，检测P3.2口状态，当P3.2口检测为低电平时，即C4上的电压充至完全，单片机计时器记录下从开始放电到P3.2口转变为低电平的时间TEC可以得到：TSC／R4＝TEC／RT，即RT＝TEC×R4／TSC通过单片机计算得到热敏电阻RT的阻值。并通过执行程序可以得到温度值。从上面所述可以看出，该测温电路的误差来源于这几个方面：单片机的定时器精度、R4电阻的精度、热敏电阻RT的精度，而与单片机的输出电压值、门限电压值、电容精度无关。因此，适中选取热敏电阻和精密电阻的精度，单片机的工作频率够高，就可以得到较好的测温精度。当单片机选用12MHz频率，R4、RT均为1％精度的电阻时，温度误差可以做到小于1℃图3-2测温电路原理图3.2STC89C51介绍STC89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中STC89C51是一种高效微控制器，STC89C2051是它的一种精简版本。STC89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3-3所示。图3-3管脚图在操作过程中，运用到几个重要的引脚接口VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1〞时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1〞时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1〞后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流〔ILL〕这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，那么在此期间外部程序存储器〔0000H-FFFFH〕，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源〔VPP〕。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的上下电平要求的宽度。3.4LED数码管LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,h来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。LED显示器有共阴极和共阳极两种，以共阴极为例，要显示数字0，需要满足两个条件，一是公共端子COM接地，二是a、b、c、d、e、f段亮，g段不亮，即a、b、c、d、e、f段加高电平1，g段加低电平0。例如，将KEY/LEDCS接到CS0上，那么段码地址为08004H，位码地址为08002H七段数码管的字型显示表如下:表3-1数码管字型显示图3-4LED显示显示过程如下：经过单片机P0输出的八位二进制码，变换成BCD码，在数码管上显示，经过段选信号和位选信号的控制，最后在相应数码管上显示出相应的温度值。程序框图如下：第4章软件设计本设计中采用的处理器是STC单片机，由此可采用面向MCS-51的程序设计语言，包括ASM51汇编语言和C51高级语言，这两种语言各有特点。汇编语言更接近机器语言，常用来编制与系统硬件相关的程序，如访问I/O端口、中断处理程序、实时控制程序、实时通信程序等；而数学运算程序那么适合用C51高级语言编写，因为用高级语言编写运算程序可提高编程效率和应用程序的可靠性。考虑到设计中要用到乘除运算，在智能测控装置的根本功能软件开发中，全部程序均采用C51高级语言编写4.1程序设计程序主要由主程序和子程序两局部构成。1.主程序主要实现系统的初始化，温度信号采集。系统的初始化包括存放器的初始化〔控制存放器、堆栈、中断存放器等〕，通信的初始化,LED显示的初始化，输出端口的初始化，采集、累计数据的初始化。2.子程序主要有延时程序和显示程序等。显示程序包括数据转换〔主要实现将各类参数、测量数据、计算累计值等转换成LED显示所需的数据类型〕。4.2测量设计在本次设计中，针对不同电阻对电容的充放电过程是测量温度的关键所在。其原理是先让C4放电，接着通过延时电路让标准电阻对C4充电，当P3.2为0时，记录下时间TSC，接着继续使C4放电，让热敏电阻对C4充电，记录下时间TEC，最后通过得出线性插值，求出温度。总结通过一段时间学习，最后完成了我的设计任务——热敏电阻测温系统设计。本次设计课不仅仅培养了我们实际操作能力，更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践，让同学们学以致用通过综合分析，找出学习中存在的缺乏，以便为完善学习方案，改变学习内容与方法提供实践依据。起初我不知道单片机是什么，但是通过这次课程设计我看到了了单片机的巨大应用市场，觉得这是一个非常有用的东西，学习它会很有助于我们日后的学习和工作。此次课程设计软件与硬件结合，考察了我们的焊接水平与编程能力。因为之前做过焊接的电工实习，所以对于我们来说焊接不成问题，也很顺利。但是到了编程时就出现了很大的障碍，本来以为编程很简单，等到实际操作起来才知道它的复杂性，没有想象中的那么得心应手，理解流程是有思维的前提。其实本身程序的思维是正确的，只是步骤中有点小错误，所以导致整个程序的结果很论，在仔细修改程序之后，终于到达效果。致谢本设计是在老师的精心指导和严格要求下完成的，首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次设计的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把设计做得更加完善。同时感谢实验室的等老师，他们给我们提供了必要的实验器材，提供了很大的方便。其次要感谢我的同学，课程设计的完成，让我在其中学到了许多，尤其是学会了合作，懂得了合作造就的效益和成果。在这里再次感谢和我一起伙伴的同学，还有对我们精心指导的老师。参考文献[1].陈利永.数字电路与逻辑设计.中国铁道出版社，2023.6：[2].潘松，《EDA实用教程》，科学出版社，2004年[3].刘江海.《EDA技术课程设计》.华中科技大学出版社，2023.5[4].焦素敏.《EDA应用技术》.清华大学出版社，2002.4[5].《VHDL程序设计》(第二版).曾繁泰等.